巴西橡膠樹HbPSKR2基因克隆及互作蛋白鑒定

杜曉愚　趙一杰　張世鑫　田維敏　晁金泉

關(guān)鍵詞：巴西橡膠樹；HbPSKR2；酵母雙雜交；熒光素酶互補(bǔ)成像；互作蛋白

中圖分類號(hào)：S794.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

磺肽素（phytosulfokine， PSK）是一種高等植物特有的小肽類激素，廣泛參與植物的生長(zhǎng)發(fā)育、分裂分化、逆境脅迫等生物學(xué)過程[1-3]?；请乃鼗蚓幋a的前體多肽長(zhǎng)度約為80～110 個(gè)氨基酸，通過翻譯后剪切形成5 個(gè)氨基酸的小肽（ Tyr-Ile-Tyr-Thr-Gln），而后在酪氨酸硫化轉(zhuǎn)移酶的作用下對(duì)其第1 位和第3 位的酪氨酸（tyrosine， Tyr）發(fā)生特異的磺基化修飾，最終形成有活性形式的磺肽素[4-5]。與其他植物激素一樣，磺肽素信號(hào)傳導(dǎo)也依賴于細(xì)胞膜定位的受體蛋白?；请乃厥荏w（phytosulfokine receptor， PSKR）是一種典型的跨膜蛋白，其膜外的亮氨酸重復(fù)元件（leucine richrepeat， LRR）主要用于感知磺肽素信號(hào)，而膜內(nèi)的激酶結(jié)構(gòu)域主要用于下游信號(hào)的傳導(dǎo)[6-7]。PSKR 在植物中一般有2 個(gè)成員，目前對(duì)其功能的研究還比較少。ZHANG 等[8]發(fā)現(xiàn)番茄的SlPSKR1和SlPSKR2 均可與PSK 結(jié)合，并且證明PSKR1通過促進(jìn)鈣調(diào)素與生長(zhǎng)素合成蛋白YUC 的互作進(jìn)而激活番茄對(duì)疫霉病的響應(yīng)。HOLZWART 等[9]報(bào)道擬南芥的PSKR1 可以和RLP44 蛋白互作，在調(diào)控形成層向木質(zhì)部分化過程中起關(guān)鍵作用。

天然橡膠是一種重要的工業(yè)原料，在醫(yī)療衛(wèi)生、交通運(yùn)輸、航空航天等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用[10-11]。巴西橡膠樹（Hevea brasiliensis Muell. Arg）原產(chǎn)南美洲亞馬遜雨林地區(qū)，是當(dāng)前世界天然橡膠的主要來源[12]。位于橡膠樹樹皮內(nèi)層的次生乳管是天然橡膠合成和貯存的主要場(chǎng)所。橡膠樹膠乳本質(zhì)上是乳管細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)部分，含30%～50%的天然橡膠[13]。生產(chǎn)上人們通過割膠的方式收集從被切斷乳管中流出的膠乳用于天然橡膠加工，因此橡膠樹的次生乳管是決定天然橡膠產(chǎn)量的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。前人研究表明，橡膠樹次生乳管由形成層分化而來，茉莉酸信號(hào)途徑在該過程中起關(guān)鍵作用[14-15]。最近課題組研究發(fā)現(xiàn)磺肽素參與了茉莉酸誘導(dǎo)次生乳管分化[16]。本研究克隆了橡膠樹磺肽素受體HbPSKR2，并對(duì)其互作蛋白進(jìn)行篩選和鑒定，為深入揭示橡膠樹乳管分化分子機(jī)制提供新的思路。

1 材料與方法

1.1 材料

橡膠樹形成層區(qū)cDNA、橡膠樹形成層區(qū)酵母雙雜交文庫、酵母雙雜交誘餌載體pGBKT7、pCAMBIA1300-nLUC、pCAMBIA1300-cLUC 均由本實(shí)驗(yàn)室保存；本生煙播種于中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院橡膠研究所植物培養(yǎng)室，培養(yǎng)至4～7 葉期備用；農(nóng)桿菌菌株GV3101、酵母菌株Y187、酵母菌株AH109、大腸桿菌DH5α 感受態(tài)細(xì)胞均購自上海唯地生物技術(shù)有限公司；橡膠樹全基因組序列從NCBI 下載（https：//www.ncbi.nlm.nih.gov/nuccore/LVXX00000000.1）；組織特異性及割膠前后膠乳的轉(zhuǎn)錄組原始數(shù)據(jù)從國家基因組數(shù)據(jù)中心下載（https：//ngdc.cncb.ac.cn），GSA 編號(hào)為CRA004268；冠菌素（COR）處理形成層的轉(zhuǎn)錄組原始數(shù)據(jù)從NCBI 下載（https：//www.ncbi.nlm.nih.gov/s），數(shù)據(jù)編號(hào)分別為SRR3423347～SRR3423350。

1.2 方法

1.2.1 HbPSKR2 基因的克隆 以擬南芥AtPSKR2蛋白序列對(duì)橡膠樹基因組進(jìn)行BLASTn 搜索，得到含橡膠樹完整HbPSKR2 序列的scaffold0093_1558507。根據(jù)序列信息設(shè)計(jì)擴(kuò)增HbPSKR2 完整開放閱讀框的特異性引物HbPSKR2-F 和HbPSKR2-R（表1），以橡膠樹形成層區(qū)cDNA 為模板進(jìn)行PCR 擴(kuò)增。擴(kuò)增體系為：2×PCR buffer 10 μL，正、反向引物（10 μmol/L）各1 μL，cDNA 模板1 μL，ddH₂O 7 μL；擴(kuò)增程序?yàn)椋?8 ℃預(yù)變性5 min；98 ℃變性20 s，56 ℃退火30 s，72 ℃延伸3 min，共設(shè)置33 個(gè)循環(huán)；最終72 ℃延伸10 min。擴(kuò)增產(chǎn)物用普通瓊脂糖凝膠DNA 回收試劑盒（天根生化科技有限公司）進(jìn)行回收純化，通過pEASYBluntCloning Kit（全式金生物科技有限公司）連接載體并轉(zhuǎn)化大腸桿菌DH5α。過夜培養(yǎng)后挑選陽性克隆送至生工生物工程（上海）股份有限公司進(jìn)行測(cè)序。

1.2.2 HbPSKR2 的生物信息學(xué)分析 利用在線工具Compute pI/Mw（ http：//web.expasy.org/compute_pi/）分析HbPSKR2 的分子量和等電點(diǎn)；利用在線結(jié)構(gòu)域分析工具SMART（http：//smart.embl-heidelberg.de/）分析HbPSKR2 的結(jié)構(gòu)域；利用DNAMAN 軟件分析HbPSKR2 與其他植物同源蛋白間的序列比對(duì)；利用在線工具iTQL（https：//itol.embl.de/） 繪制HbPSKR2 與其他植物同源蛋白間的系統(tǒng)發(fā)育樹；利用依托單位服務(wù)器，采用Tophat 軟件將所下載的轉(zhuǎn)錄組原始數(shù)據(jù)比對(duì)到橡膠樹基因組上，根據(jù)Cufflink 軟件計(jì)算基因的FPKM 值。

1.2.3 HbPSKR2 的自激活檢測(cè) 以測(cè)序正確的pEASY-HbPSKR2 質(zhì)粒為模板，用特異性引物pGBDKT7-HbPSKR2-F 和pGBDKT7-HbPSKR2-R擴(kuò)增目的片段，采用ClonExpress Ultra One StepCloning Kit（南京諾唯贊生物科技股份有限公司）同源重組方法構(gòu)建pGBDKT7-HbPSKR2 的Bait 載體。將測(cè)序正確的質(zhì)粒轉(zhuǎn)化至酵母Y187菌株，涂布于SD/-Trp/-Leu、SD/-Trp/-Leu/-His/-Ade 固體培養(yǎng)基上，30 ℃倒置培養(yǎng)3 d 觀察菌落生長(zhǎng)情況。

1.2.4 HbPSKR2 的酵母雙雜交文庫篩選 將pGBDKT7-HbPSKR2 和橡膠樹形成層酵母cDNA文庫分別轉(zhuǎn)化至Y187 和AH109 酵母感受態(tài)細(xì)胞中，分別涂布于SD/-Trp 和SD/-Leu 篩選平板，30 ℃恒溫培養(yǎng)3～4 d。用涂布棒刮取上述Prey 菌株和Bait 菌株，分別接種于相應(yīng)篩選培養(yǎng)基中，30 ℃振蕩培養(yǎng)至OD₆₀₀=0.8。離心收集菌體，用YPDA 液體培養(yǎng)基重懸菌體并調(diào)整至細(xì)胞密度大于1×10⁸mL^–1。將二者等體積混勻，接種于YPDA液體培養(yǎng)基中擴(kuò)大培養(yǎng)。在相差顯微鏡下觀察酵母菌液產(chǎn)生合子后收集菌體，涂布SD/-Leu/-Trp篩選平板置于30 ℃倒置培養(yǎng)。挑取候選陽性菌落分別點(diǎn)板SD/-Leu/-Trp 二缺和SD/-Trp/-Leu/-His/-Ade 四缺篩選平板，30 ℃倒置觀察菌落生長(zhǎng)情況。挑選四缺平板陽性菌落送至生工生物工程（上海）股份有限公司進(jìn)行測(cè)序。

1.2.5 熒光素酶互補(bǔ)驗(yàn)證 用特異性引物HbPSKR2-nLUC-F 和HbPSKR2-nLUC-R 擴(kuò)增測(cè)序正確的pEASY-HbPSKR2 質(zhì)粒并連接pCAMBIA1300-nLUC 載體；用特異性引物HbPBL8- cLUC-F/HbPBL8-cLUC-R 和HbPIX13-cLUC-F/HbPIX13-cLUC-R 分別擴(kuò)增測(cè)序正確的陽性酵母菌株并連接pCAMBIA1300-cLUC 載體。將連接好的載體轉(zhuǎn)化大腸桿菌DH5α 過夜培養(yǎng)并送樣測(cè)序，將測(cè)序正確的pCAMBIA1300-HbPSKR2-nLUC、pCAMBIA1300-HbPBL8-cLUC 、pCAMBIA1300-HbPIX13-cLUC 質(zhì)粒分別轉(zhuǎn)化農(nóng)桿菌GV 3101 感受態(tài)，并于YEB 液體培養(yǎng)基中28 ℃過夜培養(yǎng)。離心收集菌體，用培養(yǎng)液調(diào)整OD600=1.0，通過注射法注射煙草葉片。注射后的煙草暗培養(yǎng)24 h 后在相同注射部位注射熒光素酶底物D-熒光素鉀鹽溶液，置于活體成像系統(tǒng)中觀察。

2 結(jié)果與分析

2.1 HbPSKR2 基因克隆及其編碼蛋白分析

以HbPSKR2 開放閱讀框引物對(duì)橡膠樹形成層區(qū)cDNA 擴(kuò)增，獲得一條與預(yù)期大小一致的條帶。測(cè)序結(jié)果顯示，擴(kuò)增產(chǎn)物長(zhǎng)度為3159 bp，編碼1052 個(gè)氨基酸（圖1A）。HbPSKR2 的理論分子量為114.84 kDa，理論等電點(diǎn)為6.34。蛋白結(jié)構(gòu)域分析顯示HbPSKR2 是個(gè)典型的跨膜蛋白，其中前640 個(gè)氨基酸是由22 個(gè)LRR 結(jié)構(gòu)域組成的膜外天線，第692 個(gè)氨基酸至第714 個(gè)氨基酸是跨膜結(jié)構(gòu)域，第765 個(gè)氨基酸至第1052 個(gè)氨基酸是介導(dǎo)膜內(nèi)信號(hào)途徑的激酶結(jié)構(gòu)域（圖1B）。

2.2 HbPSKR2 系統(tǒng)進(jìn)化及多序列比對(duì)分析

選取擬南芥（Arabidopsis thaliana， At2g02220，At5g53890）、櫻桃（Prunus persica， XP_007227028.1）、榴蓮（Durio zibethinus， XP_022776608.1 ）、蓖麻（Ricinus communis， XP_002518809.2， EEF34126.1）、柚子（Citrus clementina， XP_024035321.1， XP_006451809.1）、樹棉（Gossypium arboretum， XP_017632150.1 ）、油菜（ Brassica napus， XP_013707217.1， XP_022546871.2）、毛果楊（Populustrichocarpa， XP_002312507.3， XP_002317487.3）8種雙子葉植物和水稻（Oryza sativa， LOC_Os02g41890.1， LOC_Os04g57630.1）、玉米（Zea mays，AQK72791.1， NP_001340572.1）、高粱（Sorghumbicolor， XP_002454207.1， XP_021318925.1）、小麥（ Triticum aestivum， XP_044413269.1， XP_044335016.1）4 種單子葉植物的PSKR 序列，與HbPSKR2 共同構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹。結(jié)果顯示所有PSKR 成員可以劃分為4 個(gè)類群：Group I 類群由雙子葉植物PSKR1 構(gòu)成；Group II 類群由雙子葉植物PSKR2 構(gòu)成；Group III 類群由單子葉植物PSKR1 構(gòu)成；Group IV 類群由單子葉植物PSKR2構(gòu)成（圖2A）。其中HbPSKR2 屬于Group II 類群，且與來自蓖麻的RcPSKR2 親緣關(guān)系最接近。

作為跨膜受體蛋白，PSKR 的膜內(nèi)激酶結(jié)構(gòu)域是介導(dǎo)信號(hào)傳導(dǎo)的關(guān)鍵部分。采用DNAMAN軟件對(duì)HbPSKR2 的膜內(nèi)激酶結(jié)構(gòu)域以及擬南芥和水稻的PSKR 同源蛋白的膜內(nèi)激酶結(jié)構(gòu)域進(jìn)行多重比對(duì)，結(jié)果顯示均存在ATP binding site、CaMbinding site、Activation segment、GC Centre 等保守性位點(diǎn)（圖2B）。

2.3 HbPSKR2 基因表達(dá)模式分析

組織特異性分析顯示，HbPSKR2 在橡膠樹各個(gè)組織中均有表達(dá)，其中在形成層、雌花、雄花中表達(dá)豐度較高，而在膠乳、葉片、樹皮中表達(dá)豐度較低（圖3A）。冠菌素（coronatine， COR）是一種茉莉酸類似物，可以有效誘導(dǎo)橡膠樹形成層分化次生乳管。HbPSKR2 的表達(dá)量在冠菌素處理前期（COR-A）較對(duì)照（CK-A）有顯著上升，而在處理后期（COR-B）與對(duì)照（CK-B）相比則差異不顯著（圖3B）。割膠是收獲天然橡膠的唯一方式。與未開割樹相比，HbPSKR2 在開割樹膠乳中的表達(dá)量極顯著上升（圖3C）。

2.4 HbPSKR2 誘餌載體自激活檢測(cè)及互作蛋白篩選

采用重組法構(gòu)建pGBKT7-HbPSKR2 誘餌載體。自激活實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，含pGBKT7-53 陽性對(duì)照載體的酵母菌在SD-TL 二缺培養(yǎng)基和SDTLHA四缺培養(yǎng)基上均可以生長(zhǎng)，并且加入x-gal后菌落變藍(lán)。而含pGBKT7-Lam 陰性對(duì)照載體的酵母菌以及含pGBKT7-HbPSKR2 載體的酵母菌只能在SD-TL 二缺培養(yǎng)基上生長(zhǎng)（圖4A），表明HbPSKR2 無細(xì)胞毒性及自激活活性，可以用于酵母文庫篩選。

將含橡膠樹形成層區(qū)酵母cDNA 文庫質(zhì)粒的酵母AH109 菌株和含pBGKT7-HbPSKR2 的酵母Y187 菌株共培養(yǎng)，鏡檢發(fā)現(xiàn)合子后收集菌體涂布至SD-TL 二缺平板進(jìn)行培養(yǎng)，挑選陽性菌落接種于SD-TLHA 四缺平板進(jìn)行進(jìn)一步篩選。最終得到12 個(gè)陽性克?。▓D4B）。對(duì)陽性克隆插入片段進(jìn)行測(cè)序，測(cè)序結(jié)果在橡膠樹數(shù)據(jù)庫進(jìn)行BLASTx同源比對(duì)，鑒定到2 個(gè)核糖體相關(guān)成員、2 個(gè)泛素化相關(guān)成員、2 個(gè)生長(zhǎng)發(fā)育相關(guān)成員、2 個(gè)蛋白激酶、1 個(gè)RNA 聚合酶、1 個(gè)幾丁質(zhì)酶以及2 個(gè)功能未知蛋白（表2）。

2.5 HbPSKR2 與蛋白激酶HbPBL8 和HbPIX13 的互作驗(yàn)證

蛋白激酶在信號(hào)傳導(dǎo)中起重要作用。在HbPSKR2互作蛋白中鑒定到2 個(gè)蛋白激酶HbPBL8 和HbPIX13，推測(cè)其可能介導(dǎo)橡膠樹PSK 的信號(hào)傳導(dǎo)。分別構(gòu)建HbPSKR2-nLUC 載體、HbPBL8-cLUC 以及HbPIX13-cLUC 載體，采用LCI 技術(shù)在煙草葉片中驗(yàn)證HbPSKR2 與HbPBL8 和HbPIX13的互作關(guān)系。結(jié)果顯示共轉(zhuǎn)HbPSKR2-nLUC/HbPBL8-cLUC 和HbPSKR2-nLUC/HbPIX13-cLUC 可以檢測(cè)到強(qiáng)烈的熒光信號(hào)（圖5A），進(jìn)一步證明HbPSKR2 在體內(nèi)可以與HbPBL8 激酶和HbPIX13激酶互作。

2.6 HbPBL8 和HbPIX13 響應(yīng)COR 處理的表達(dá)模式分析

通過分析COR 處理的橡膠樹形成層區(qū)轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，HbPBL8 表達(dá)量在COR 處理前期和后期均較對(duì)照顯著上調(diào)，而HbPIX13 表達(dá)量則在COR處理前后均無差異（圖5B）。

3 討論

PSKR 是PSK 的直接受體，在PSK 信號(hào)傳導(dǎo)中起重要作用[6-7] 。本研究克隆了橡膠樹的HbPSKR2 基因。序列分析顯示，HbPSKR2 是一個(gè)跨膜蛋白，含有PSKR 蛋白典型的膜外LRR 結(jié)構(gòu)域和膜內(nèi)激酶結(jié)構(gòu)域。組織特異性分析顯示HbPSKR2 在橡膠樹形成層區(qū)域相對(duì)表達(dá)豐度最高，并且在COR 處理早期被顯著誘導(dǎo)。課題組前期研究發(fā)現(xiàn)茉莉酸信號(hào)在誘導(dǎo)形成層分化次生乳管過程中起重要作用[14-15]，近期已有研究證明PSK 參與了茉莉酸誘導(dǎo)乳管分化過程[16]。鑒于HbPSKR2 在形成層區(qū)域高豐度表達(dá)，且可被茉莉酸類似物誘導(dǎo)，因此推測(cè)該基因可能參與了橡膠樹的乳管分化。

酵母雙雜交文庫篩選是鑒定互作蛋白的常用方法[17]。本研究構(gòu)建了HbPSKR2 誘餌表達(dá)載體，對(duì)橡膠樹形成層區(qū)域酵母雙雜交文庫進(jìn)行篩選，共得到12 個(gè)候選蛋白，測(cè)序分析顯示這些成員涉及初生代謝、生長(zhǎng)發(fā)育、信號(hào)傳導(dǎo)等多個(gè)生物學(xué)途徑。蛋白質(zhì)是生命活動(dòng)的主要承擔(dān)者，其生物合成和降解過程直接關(guān)系著生命活動(dòng)的進(jìn)行[18]。核糖體是真核生物中與蛋白質(zhì)合成密切相關(guān)的細(xì)胞器，由不同大小的亞基組成[19]。泛素化是真核生物普遍存在的翻譯后修飾方式，通過將靶標(biāo)蛋白標(biāo)記泛素標(biāo)簽進(jìn)而啟動(dòng)蛋白質(zhì)的降解[20-21]。本研究從HbPSKR2 互作蛋白中發(fā)現(xiàn)2 個(gè)核糖體相關(guān)成員和2 個(gè)泛素化相關(guān)成員，表明PSK 信號(hào)途徑可能直接參與橡膠樹蛋白質(zhì)合成和降解過程。

蛋白激酶是一種催化蛋白質(zhì)發(fā)生磷酸化修飾的酶[22]。生物體內(nèi)的蛋白磷酸化是調(diào)控蛋白活力和功能的重要機(jī)制之一，在細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)過程中起重要作用[23-25]。作為一種受體蛋白，已有報(bào)道PSKR 可以和多種激酶互作，參與不同的生物學(xué)過程。如WANG 等[26]報(bào)道擬南芥中PSK 與PSKR互作后可以改變結(jié)合位點(diǎn)附近的空間構(gòu)象，促使PSKR 與體細(xì)胞胚胎發(fā)育受體激酶（somatic embryogenesisreceptor kinase，SERK）發(fā)生互作；HOLZWART 等[9]報(bào)道擬南芥的受體蛋白R(shí)LP44可以介導(dǎo)油菜素內(nèi)酯關(guān)鍵成員BRI1-ASSOCIATEDKINASE 1（BAK1）與PSKR1 互作，以復(fù)合體的形式介導(dǎo)形成層分化木質(zhì)部。本研究中通過熒光素酶實(shí)驗(yàn)證明2 個(gè)蛋白激酶HbPIX13 和HbPBL8 與HbPSKR2 之間存在強(qiáng)烈互作，基因表達(dá)模式分析顯示HbPBL8 可被COR 顯著誘導(dǎo)，推測(cè)HbPSKR2-HbPBL8 信號(hào)通路可能在橡膠樹乳管分化過程中起一定作用。揭示HbPBL8 的靶標(biāo)蛋白將是下一步的工作重點(diǎn)。